鹿岛菱形挂篮的结构及构造

鹿岛菱形挂篮主要由菱形桁架、悬吊系统、走行系统、模板系统及张拉操作平台五部分组成。   

菱形桁架

菱形桁架是挂篮的主要承重结构。主桁构架竖放于箱梁腹板位置，构架的片数可根据主梁的截面特性来定，一般为两片，也有多片的，如吴忠黄河大桥菱形挂篮采用三片构架；主要杆件通常由两片槽钢组焊而成，槽钢的截面由结构分析确定；各杆件间的联结为栓接、焊接或销接。主桁构架间用槽钢或角钢组成的横联连接，在主桁前端节点处放置一根用2根工字钢组焊成的横梁，上设吊点，以做悬吊底模平台和内外模滑梁用，该横梁同时起到将主桁架连成整体的作用。   

悬吊系统

由螺旋千斤顶、扁担梁、吊带或吊杆组成，用于悬挂模板系统，调整模板的标高。前后吊带（杆）：前吊带的作用是为底模平台提供前吊点，其承受几乎一半的挂篮荷载。当待灌段混凝土重量较大时，一般采用吊带，否则用吊杆。吊带一般用16Mn或性能更好的钢板并布设销孔而成，一般为3m段，分段间用销轴连接，以适应不同梁高的需要。当采用吊杆时，钢材一般用冷拉Ⅳ级精轧螺纹钢筋。每根吊带或吊杆在横梁上放2台千斤顶通过扁担梁调整底模标高。后吊带从箱梁的底板预留孔中穿过，一般用16Mn钢板上布调节孔或45号钢棒螺帽形成，下端与底模平台相连，上端2台千斤顶和扁担梁或螺帽支承在箱梁底板顶面上。后吊带的作用是承受挂篮一半的荷载并将其传至箱梁底板。  

模板系统

由外侧模、内模和底模等几部分组成。箱梁外侧模一般采用整体钢制大模板，当梁高变化较大时，可沿梁高分为3块左右，以随梁高变化拆装调整。外侧模支承在外模走行梁上，走行梁前端通过吊杆悬吊在已浇好的箱梁顶板预留孔上，后吊杆与走行梁间设有后吊架，其上装有滚动轴承，挂篮行走时外模走行梁与外模一起沿后吊架滑行。内模一般通过模架放置在两根内模走行梁上，走行梁前端吊在桁架横梁上，后端吊在已浇梁段顶板的预留孔上方，内模可沿走行梁滑行，除角隅处外，平面部分可用组合钢模或木模钉铁皮。底模由底模架、底横梁及模板组成，通过底横梁的前后吊带悬挂在挂篮主桁的前吊点、已浇梁段和外模走行梁上，随主桁一起前移，底模架由型钢组焊成桁架，底横梁由工字钢组焊成格构式梁，底模一般用木模外钉铁皮形成。  

张拉操作平台

张拉操作平台通过钢丝绳悬吊在菱形桁架的前端小悬臂梁上，一般用角钢和钢筋组成，平台平面铺以木板供作业人员站立行走。可用手动胡芦调整其高度。

走行系统

挂篮走行系统分为桁架走行系统、底模、外模走行系统及内模走行系统。桁架走行系统布置为：在主桁构架下的箱梁顶面铺设用钢板组焊的轨道，轨道用竖向预应力筋通过短梁固定，轨道顶面放置前后支座，支座与桁架节点栓接，前支座沿轨道滑行（支座与轨道间垫四氯乙烯板），后支座以反扣轮（或后勾板）的形式沿轨道预板下缘滚（滑）动，不需加设平衡重。走行时用2个5T手动葫芦纵向牵引即可。轨道分节以便向前倒用。悬臂灌筑前，需要Ⅳ级冷拉精轧钢筋将轨道上钢轨与桁架后节点锚固，使后支座反扣轮不受力。底模及外模与主桁同步行走。具体步骤为：脱模前用手动葫芦将底模架吊在外模走行梁上，解除后吊带，脱模后，底模随桁架一起向前走行。内模脱模后，内模架落在走行梁上，人工用手动葫芦即可将其移至下一梁段。

（2）菱形挂篮的力学分析   

从整体看，挂篮荷载有一半左右通过前吊带（或吊杆）传至主桁上节点，菱形桁架以铰接模式计算杆力，其前下节点支于箱梁顶板前侧，后下节点则通过竖向预应力筋或预埋钢筋锚于梁上。

鹿岛挂篮设计路线

1．悬臂浇筑分段长度   

设计挂篮**要决定箱梁悬臂浇筑的分段长度。悬臂梁沿梁长的分段取决于设备和施工条件。每个节段长，节段的数量就少，施工速度就比较快，但每次浇筑混凝土的数量就多，挂篮及其设备就需要相应增大。反之，每个节段短，挂篮的承重要求小，可避免过于庞大的挂篮设备，但节段数量多，挂篮周转次数多，总的施工进度比较慢。总之，悬臂浇筑箱梁分段长度要根据施工条件权衡利弊综合考虑。我国近年来悬臂施工的分段长度一般为3～5m左右，**大达到8m。 

2．挂篮横断面 

挂篮横断面的布置取决于桥梁的宽度和箱梁横断面形式，一般全断面上使用一个挂篮施工即可，但当桥梁宽度很大（15m以上），箱梁横断面为双箱或多箱结构时，为了使挂篮在施工中具有一定的灵活性，在一个横断面上可用两个挂篮分别施工。我国的广西柳州大桥、武汉江汉二桥均采用这种方案。 

3．挂篮设计总体构思 

挂篮设计中，往往根据现有资料和实际施工要求，选取挂篮形式、连接方式和杆件，然后进行检算，这是**常用的一种方法。所以选择何种挂篮结构形式就成为挂篮设计的首要问题。   

根据国内外挂篮施工现有水平，开发的轻型挂篮应满足实际桥梁悬臂施工的需要，设计要注重整体功能，不片面追求轻型指标，总体构思往往体现在以下几个方面：

（1）减轻挂篮自重途径

①选用一种受力合理、安全可靠、刚度较大的轻型结构作为挂篮承重主桁； 

②挂篮用材立足国内生产的高强轻质钢材，并便于加工； 

③挂篮浇筑混凝土时，尾部充分利用箱梁竖向预应力筋平衡倾覆力矩以取消配重，从而减轻自重。   

（2）缩短挂篮施工周期   

①挂篮行走、模板升降等采用液压装置或容易操作的螺旋千斤顶，电气集中控制，靠机械化和自动化来提高生产效率和降低工人劳动强度；   

②在后锚受力许可的条件下，挂篮行走时，内外模可同步就位，尽量减少工序，缩短施工周期；   

③悬吊系统和锚固系统装拆方便、调整简单。   

（3）保证悬灌混凝土质量   

模板以刚度控制设计，可采用新型材料制模板，既减轻重量又坚固耐用，且满足所有悬灌梁段使用，不需要更换和修补。制订施工实施细则，严格规范保持平衡施工及限制施工荷载的措施，保证施工安全和质量。   

（4）改善施工条件和环境   

设计挂篮时应考虑有宽敞的作业空间，便于放置各种机具和操作人员往返；在挂篮主桁架上方设置遮阳雨棚，改善作业环境。 

（5）考虑通用性 

对挂篮结构作适当处理可适应各种跨径、不同宽度的各类箱箱梁施工。 

4．挂篮主桁架计算 

挂篮主桁架作为承重结构，是**重要的设计计算构件，其计算内容主要包括：各杆件及锚杆的内力计算和截面设计、挂篮的变形和倾覆稳定计算。计算应按两个挂篮连成一体、灌筑梁段和空载走行等情况分别进行。   

（1）荷载系数   

依据交通部颁发的《公路桥涵设计和施工规范》，荷载系数取值如下：考虑箱梁混凝土浇筑时胀模等因素的超载系数为1.05；浇筑混凝土时的动力系数为1.2；挂篮空载行走时的冲击系数为1.3；浇筑混凝土和挂篮行走时的抗倾覆稳定系数为2。      

（2）施工荷载   

在灌筑梁段和空载走行过程中，挂篮主桁架主要承受以下几种荷载：   

①**大节段混凝土重量：此项为设计挂篮时的控制重量；

②挂篮自重：主要包括主桁架、悬吊系统、模板系统及张拉操作平台的重量；   

施工机具及人群荷载：根据施工中所用的附着式震捣器、张拉千斤顶及油泵的数量和施工人数计算。在没有实测资料的情况下可按2.5kN／m计算。   

动力附加荷载：考虑浇筑混凝土时的动力因素和挂篮施工安全方面的重要性，该处动力附加荷载主要考虑两项：a．振动系统产生的振捣力；b．梁段本身在振动中的动力影响，参照浇筑混凝土时的动力系数1.2，则梁段的动力影响为0.2倍的梁段混凝土重。   

冲击附加荷载：主要考虑挂篮空载行走时的冲击影响，依据挂篮空载行走时的冲击系数1.3，则冲击附加荷载=0.3×挂篮自重。   

风荷载：在6级以上大风条件下，很难保证施工质量，一般在大风情况下就停止挂篮施工。但由于悬臂施工为高空作业，安全性要求高，所以应对挂篮在可能的大风条件下的锚固、行走及整体的稳定性进行检算，以策安全。其数值可由当地气象资料提供或查全国风压图得到。  

混凝土偏载：可按灌筑梁段时两侧腹板浇筑混凝土**大偏差计算。   

（3）荷载组合   

根据以上各施工阶段的检算内容和荷载情况，荷载组合如下：

荷载组合Ⅰ：混凝土重量+动力附加荷载+挂篮自重+施工机具和人群重；

荷载组合II：混凝土重量+挂篮自重+混凝土偏载+施工机具和人群重；

荷载组合Ⅲ：混凝土重量+挂篮自重+风载；

荷载组合Ⅳ：混凝土重量+挂篮自重+施工机具和人群重；

荷载组合V：挂篮自重+冲击附加荷载+风载。

荷载组合Ⅰ～Ⅲ用于主桁承重系统强度和稳定性计算；荷载组合Ⅳ用于变形计算；荷载组合V用于挂篮行走验算。   

主桁结构内力与变形计算：简化的计算常假定主桁架每一桁片承担的荷载相同，按平面结构计算。

5．其它构件检算 

挂篮的悬吊系统、模板系统和走行系统等按一般钢结构计算方法设计，在此不再赘述，但因挂篮是可移动的支架，又属于高空作业，所以在设计时必须保证有足够的安全度，尤其要注意悬吊系统的前吊带（杆），其在脱模过程中，受到的冲击振动**大，而且承受重复作用，有发生端部断裂的危险，因此悬吊系统的前吊带（杆）的安全系数不小于2。所有计算均根据不同的计算图示与荷载组合，求得各构件的**大应力，经多次调整结构几何尺寸，以达到在满足规范要求的前提下，使结构材料**省、重量**轻。

鹿岛挂篮的加工工艺

对于型钢式挂篮，鹿岛在加工过程中应注意以下环节：   

（1）挂篮所用的主要材料包括主桁架、吊带等受力杆件所用材料必须符合国标要求。   

（2）确定合理的焊接工艺

由于挂篮杆件多为组焊件，为保证焊接质量，减少焊接残余变形，各杆件焊接前，必须先制定焊接工艺。根据挂篮所用材质选定焊条种类、型号、规格，确定焊接层数，坡口形状，电流大小，进行试焊。重要部位杆件焊接时，焊工必须先进行首焊试验，经试验合格后方准其焊接。试焊后的焊件，进行几何形状检查并探伤，经检查合格后，此工艺方可作为挂篮杆件的焊接工艺。   

（3）确定合理的下料方案

由于杆件数量多，尺寸不一，因此，合理的下料方案对结构的受力性能、材料的节省及焊接工作量的大小影响颇大。例如配料时，受拉杆件多采用整料，受压杆件可用短料焊接等。   

（4）对节点的处理采用机械加工手段与工地合理的组焊方法相结合，使杆件的加工既在工地加工又有工厂的加工精度，从而保证了工期和效益。

菱形挂篮可认为是在平行桁架式挂篮的基础上简化而来，其上部结构为菱形，前部伸出两伸臂小梁，作为挂篮底模平台和侧模前移的滑道，其菱形结构后端锚固于箱梁顶板上，无平衡压重，而且结构简单，故大大减轻自身静荷。

5）滑动斜拉式挂篮

该挂篮在力学体系方面有较大突破，其上部采用斜拉式体系代替梁或桁架式结构的受力，而由此引起的水平分力，通过上下限位装置承受，主梁的纵向倾覆稳定由后端锚固压力维持。其底模平台后端仍吊挂或锚固于箱梁底板之上。